CN110456172A - 非侵入式电场测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非侵入式电场测量***及方法，用以测量电场发生装置输出的电场的电场强度，非侵入式电场测量***包括：高能激光装置、分光装置、光电转换装置及监测处理装置；高能激光装置提供基频激光，基频激光与电场作用使得气体分子发生极化产生二倍频光；分光装置将接收的基频激光与二倍频光分隔传输；光电转换装置将基频激光与二倍频光对应地转换为基频激光信号及二倍频光信号；监测处理装置监测基频激光信号及二倍频光信号，并根据基频激光信号及二倍频光信号通过标准电极标定曲线，获得电场强度。
Description
技术领域
本发明属于利用激光与电场作用下的气体分子极化非线性效应实现非侵入式测量领域，特别涉及一种消除背景光噪声、抗干扰性强、可实现电场分量测试***。
背景技术
电场，作为表征自然界电磁现象的最基本物理量之一，电场的测量是众多科学与技术领域的重要研究，在高电压工程和等离子体物理领域有着广泛的应用需求。在等离子体物理领域，电场是驱动放电发展并且与等离子体放电的电离系数相关，对电场的空间和时间的演变的测量对深入理解等离子体机理和等离子体源应用非常重要。在高电压工程中，测量绝缘子表面的电场，研究电场分布规律，对于绝缘子的优化起到指导作用，保证电力***安全稳定的运行。随着电网输电能力的提高，直流输电及交直流混合线路下的离子流场的存在使得电磁环境更加复杂，因此输电线路下方电场的测量，对于输电线路设计和电磁环境的评估提供支撑。因此，研究电场测量***有着重要意义。
现有的电场测量技术，包括侵入式测量的电磁旋转计和利用Pockels效应的探针技术，在研究电晕放电时，Pockels光电探针的存在会改变放电电流并抑制放电本身的发生，所以说侵入式测量影响测量精度和测试对象。利用Stark效应的发射光谱也可以测量电场，它的缺陷电场诊断需要假设模型，模型的准确性有待考证；受限于发光区域的大小，在某些不发光但存在电场的区域不能实现测量，且精度较低。另一种非侵入式测量方式，即电场作用下的四波混频效应可以实现，但其测量装置相比实验装置复杂程度高难以实现，且只在氢气和氮气中测量有效，对复杂环境中的气体不具有普适性。
因此急需开发一种克服上述缺陷的非侵入式电场测量***及方法。
发明内容
针对上述问题，本发明为解决上述技术问题提供一种非侵入式电场测量***，用以测量电场发生装置输出的电场的电场强度，其中，包括：
高能激光装置，提供基频激光，所述基频激光与所述电场作用使得气体分子发生极化产生二倍频光；
分光装置，将接收的所述基频激光与所述二倍频光分隔传输；
光电转换装置，将所述基频激光与所述二倍频光对应地转换为基频激光信号及二倍频光信号；
监测处理装置，监测所述基频激光信号及所述二倍频光信号，并根据所述基频激光信号及所述二倍频光信号通过标准电极标定曲线，获得所述电场强度。
上述的非侵入式电场测量***，其中，还包括：
第一透镜装置，对所述基频激光进行聚焦后输出；
第一滤光装置，对聚焦后输出的所述基频激光进行过滤，获得波长特定的一所述基频激光输出至所述电场。
上述的非侵入式电场测量***，其中，还包括：
第二透镜装置，对所述二倍频光及所述基频激光进行会聚后输出至所述分光装置。
上述的非侵入式电场测量***，其中，所述分光装置包括：
第一透镜单元，所述二倍频光及所述基频激光经过所述第一透镜单元时，所述二倍频光及部分所述基频激光通过所述第一透镜单元，且另一部分所述基频激光被所述第一透镜单元反射至所述光电转换装置；
第二透镜单元，所述二倍频光及部分所述基频激光经过所述第二透镜单元时，所述二倍频光被所述第二透镜单元反射至所述光电转换装置，且部分所述基频激光通过所述第二透镜单元。
上述的非侵入式电场测量***，其中，所述二倍频光入射至所述第二透镜单元的光路与所述二倍频光反射出所述第二透镜单元的光路之间具有夹角。
上述的非侵入式电场测量***，其中，还包括：
第二滤光装置，对反射出所述第二透镜单元的所述二倍频光进行过滤，获得波长特定的一所述二倍频光输出至所述光电转换装置。
上述的非侵入式电场测量***，其中，所述光电转换装置包括：
光电二极管，将所述基频激光转换为所述基频激光信号并输出至所述监测处理装置；
光电倍增管，将所述二倍频光转换为所述二倍频光信号输出至所述监测处理装置。
上述的非侵入式电场测量***，其中，所述监测处理装置根据所述基频激光信号及所述二倍频光信号通过非线性效应模型获得所述电场强度，所述三阶非线性效应模型为：
其中，I2ω为二倍频光强,EExt为电场强度,Iω为基频激光强度，L为相互作用长度，Δk为失配系数。
上述的非侵入式电场测量***，其中，还包括：偏振装置，接收所述二倍频光信号，通过调节所述偏振装置使得所述监测处理装置用以监测不同偏振方向的二倍频光信号，以实现电场分量的测量。
本发明还提供一种非侵入式电场测量方法，用以测量电场发生装置输出的电场的电场强度，其中，应用于上述中任一项所述的非侵入式电场测量***，所述非侵入式电场测量方法包括：
步骤S1：提供基频激光，所述基频激光与所述电场作用使得气体分子发生极化产生二倍频光；
步骤S2：将接收的所述基频激光与所述二倍频光分隔传输；
步骤S3：将所述基频激光与所述二倍频光对应地转换为基频激光信号及二倍频光信号；
步骤S4：监测所述基频激光信号及所述二倍频光信号，并根据所述基频激光信号及所述二倍频光信号通过标准电极标定曲线，获得所述电场强度。
本发明针对于现有技术其有益效果为，非侵入式测量不会影响测量精度和测试对象；还不会受限于发光区域的大小，且精度高；同时对复杂环境中的气体具有普适性；且能够消除背景光噪声、抗干扰性强、可实现电场分量测量。可是实现高时间分辨的电场随时间演变的测量，时间分辨受限于激光的脉冲宽度，本实验***的时间分辨率可达到十几纳秒。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明非侵入式电场测量***的结构示意图；
图2为图1的应用示意图；
图3为本发明非侵入式电场测量方法的流程图；
图4为基频激光信号和二倍频光信号波形图；
图5为本发明测量值与理论值的对比图。
其中，附图标记为：
非侵入式电场测量***：1
高能激光装置：11
棱镜分光单元：111
可连续调节的能量衰减器：112
激光偏振片：113
分光装置：12
第一透镜单元：121
第二透镜单元：122
光电转换装置：13
光电二极管：131
光电倍增管：132
监测处理装置：14
第一透镜装置：15
第一滤光装置：16
第二透镜装置：17
第二滤光装置：18
单色仪：181
带通滤光片：182
第三透镜装置：19
偏振装置：20
色散棱镜：21
反光镜：22
电场发生装置：3
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
请参照图1及图2，图1为本发明非侵入式电场测量***的结构示意图；图2为图1的应用示意图。如图1-图2所示，本发明的非侵入式电场测量***1用以测量电场发生装置3输出的电场的电场强度，非侵入式电场测量***1包括：高能激光装置11、分光装置12、光电转换装置13及监测处理装置14；高能激光装置11提供基频激光，基频激光与电场作用使得气体分子发生极化产生二倍频光；分光装置12将接收的基频激光与二倍频光分隔传输；光电转换装置13将基频激光与二倍频光对应地转换为基频激光信号及二倍频光信号；监测处理装置14监测基频激光信号及二倍频光信号，并根据基频激光信号及二倍频光信号通过标准电极标定曲线，获得电场强度。
其中，高能激光装置11包括：棱镜分光单元111、可连续调节的能量衰减器112及激光偏振片113；棱镜分光单元111用于产生基频激光；可连续调节的能量衰减器112用于保证激光脉冲宽度一定情况下的能量调节；激光偏振片113可以调节基频激光的偏振方向。
其中，分光装置12包括：第一透镜单元121及第二透镜单元122；第二倍频光及基频激光经过第一透镜单元121时，二倍频光及部分基频激光通过第一透镜单元121，且另一部分基频激光被第一透镜单元反射至光电转换装置13；二倍频光及部分基频激光再经过第二透镜单元122时，二倍频光被第二透镜单元122反射至光电转换装置13，且部分基频激光通过第二透镜单元122，从而提高了空间利用效率和整体监测的可靠性。
需要说明的是，由于激光与光学器件(晶体)相互作用会产生二倍频噪声信号，影响测量的准确性，因此在本实施例中，二倍频光入射至第二透镜单元122的光路与二倍频光反射出第二透镜单元122的光路之间具有夹角θ，其中以夹角θ的角度值为90°为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限。当夹角θ的角度值为90°时更好的实现光路垂直传播，避免产生二倍频噪声影响测量精度。
进一步地，非侵入式电场测量***1还包括：第一透镜装置15及第一滤光装置16；第一透镜装置15对基频激光进行聚焦后输出；第一滤光装置16对聚焦后输出的基频激光进行过滤，获得波长特定的基频激光输出至电场，在本实施例中，以第一滤光装置16为长波通透镜为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限。
具体地说，第一透镜装置15为聚焦透镜组，聚焦透镜组对基频激光进行聚焦产生高能量密度的基频激光，聚焦焦点位于测试区域；第一滤光装置16用于对聚焦后输出的进行过滤产生波长特定的基频激光。
再进一步地，非侵入式电场测量***1还包括：第二透镜装置17及第二滤光装置18；第二透镜装置17对二倍频光及基频激光进行会聚后输出至分光装置12；第二滤光装置18对反射出第二透镜单元122的二倍频光进行过滤，获得波长特定的二倍频光输出至光电转换装置13。
其中，第二透镜装置17为会聚透镜组，会聚透镜组将二倍频光及基频激光进行会聚后输出至分光装置12，从而降低二倍频光及基频激光的发散性；第二滤光装置18包括单色仪181和带通滤光片182，第二透镜单元122反射的二倍频光经单色仪181和带通滤光片182输出至光电转换装置13，通过单色仪181和带通滤光片182对二倍频光进行两次过滤，保证只有二倍频光通过，避免环境中其它波长的光污染，保证测量的准确性。
在本实施例中，非侵入式电场测量***1还包括：第三透镜装置19，设置于第二透镜单元122及单色仪181之间，第三透镜装置19将第二透镜单元122反射的二倍频光聚焦至单色仪181中，从而实现精准测量，需要说明的是第三透镜装置19为聚焦透镜组，但本发明并不以此为限。
又进一步地，请参照图4，图4为基频激光信号和二倍频光信号波形图。光电转换装置13包括：光电二极管131及光电倍增管132；光电二极管131将基频激光转换为基频激光信号并输出至监测处理装置14；光电倍增管132将带通滤光片182输出的二倍频光转换为二倍频光信号输出至监测处理装置14。其中，光电倍增管132容易受到外界复杂电磁环境(如脉冲高压电源，激光源)的影响，因此在本实施例中，将光电倍增管132嵌入到黑色金属壳内，从而减少电磁噪声影响。
其中，标准电极标定曲线，测量电场的平方与二倍频光信号呈现线性关系，通过这里下面的非线性效应模型体现。
监测处理装置14根据基频激光信号及二倍频光信号通过非线性效应模型获得电场强度，具体地说，本发明是基于电场和激光场作用下的气体分子极化非线性光学效应，实现的非侵入式电场测量***，此非线性效应为三阶非线性效应，如公式(1)：
其中，为二倍频光极化强度,为基频激光场强度,外界施加电场,N气体分子数密度,三阶非线性极化系数，它与激光场偏振方向和外加电场方向有关，根据公式(1)获得三阶非线性效应模型表征基频激光强度、电场强度和二倍频光强度：
其中，I2ω为二倍频光强,EExt为电场强度,Iω为基频激光强度，L为相互作用长度，Δk为失配系数。
其中，在本实施例中，监测处理装置14为高带宽示波器监测装置，用于监测基频激光信号和二倍频光信号，通过标准电极标定曲线，得到电场强度。
更进一步地，非侵入式电场测量***1还包括：偏振装置20，设置于单色仪181及第三透镜装置19之间，偏振装置20接收二倍频光信号，通过调节偏振装置20使得监测处理装置14用以监测不同偏振方向的二倍频光信号，以实现电场分量的测量。具体地说，某一方向的电场产生的二倍频光的偏振方向与偏振装置20一致，通过旋转监测处理装置14前的偏振装置20，可以监测特定偏振方向的二倍频光，可以实现电场分量的测量。其中，在本实施例中以偏振装置20为二倍频光偏振器为较佳的实施方式。
在本实施例中，非侵入式电场测量***1还可包括色散棱镜21与反光镜22，高能激光装置11输出的基频激光依次经反光镜22与色散棱镜21入射至第一透镜装置15。色散棱镜21过滤高能激光器11产生的其它波长的噪声激光，获得波长特定的基频激光。同时反光镜22的存在，提高了实验设备的空间利用率。
请参照图5，图5为本发明测量值与理论值的对比图。如图5所示，以同轴圆柱电极为例，测量不同空间位置的电场值，与理论电场分布值对比，吻合度很好，从而说明本发明的测量准确性高。
请参照图3，图3为本发明非侵入式电场测量方法的流程图。如图3所示，本发明非侵入式电场测量方法应用于前述的非侵入式电场测量***，方法包括：
步骤S1：提供基频激光，基频激光与电场作用使得气体分子发生极化产生二倍频光；
步骤S2：将接收的基频激光与二倍频光分隔传输；
步骤S3：将基频激光与二倍频光对应地转换为基频激光信号及二倍频光信号；
步骤S4：监测基频激光信号及二倍频光信号，并根据基频激光信号及二倍频光信号通过标准电极标定曲线，获得电场强度。
其中，本实施例中，高能激光装置11提供基频激光，基频激光与电场作用使得气体分子发生极化产生二倍频光；分光装置12将接收基频激光与二倍频光分隔传输；光电转换装置13将基频激光与二倍频光对应地转换为基频激光信号及二倍频光信号；监测处理装置14监测基频激光信号及二倍频光信号，并根据基频激光信号及二倍频光信号通过标准电极标定曲线，获得电场强度。
非侵入式电场测量方法还包括：
通过第一透镜装置对基频激光进行聚焦后输出；
通过第一滤光装置对聚焦后输出的基频激光进行过滤，获得波长特定的一基频激光输出至电场。
非侵入式电场测量方法还包括：
通过第二透镜装置对二倍频光及基频激光进行会聚后输出至分光装置。
非侵入式电场测量方法还包括：
通过第一透镜单元对二倍频光及基频激光进行过滤，即二倍频光及基频激光经过第一透镜单元时，二倍频光及部分基频激光通过第一透镜单元，且另一部分基频激光被第一透镜单元反射至光电转换装置；
通过第二透镜单元对二倍频光及基频激光进行再次过滤，即二倍频光及部分基频激光经过第二透镜单元时，二倍频光被第二透镜单元反射至光电转换装置，且部分基频激光通过第二透镜单元。其中，二倍频光入射至第二透镜单元的光路与二倍频光反射出第二透镜单元的光路之间具有夹角。
非侵入式电场测量方法还包括：
通过第二滤光装置对反射出第二透镜单元的二倍频光进行过滤，获得波长特定的一所述二倍频光输出至光电转换装置。
非侵入式电场测量方法还包括：
通过光电二极管将基频激光转换为基频激光信号并输出至监测处理装置；
通过光电倍增管将二倍频光转换为二倍频光信号输出至监测处理装置。
其中，监测处理装置根据基频激光信号及二倍频光信号通过非线性效应模型获得电场强度，非线性效应模型为：
其中，I2ω为二倍频光强,EExt为电场强度,Iω为基频激光强度，L为相互作用长度，Δk为失配系数。
非侵入式电场测量方法还包括：通过调节偏振装置使得监测处理装置用以监测不同偏振方向的二倍频光信号，以实现电场分量的测量。
综上所述，通过本发明的非侵入式电场测量***及方法具有以下功效：
1)非侵入式测能力不会影响测量精度和测试对象；
2)不会受限于发光区域的大小，且精度高；
3)对复杂环境中的气体具有普适性；
4)能够消除背景光噪声、抗干扰性强、可实现电场分量测量。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种非侵入式电场测量***，用以测量电场发生装置输出的电场的电场强度，其特征在于，包括：
高能激光装置，提供基频激光，所述基频激光与所述电场作用使得气体分子发生极化产生二倍频光；
分光装置，将接收的所述基频激光与所述二倍频光分隔传输；
光电转换装置，将所述基频激光与所述二倍频光对应地转换为基频激光信号及二倍频光信号；
监测处理装置，监测所述基频激光信号及所述二倍频光信号，并根据所述基频激光信号及所述二倍频光信号通过标准电极标定曲线，获得所述电场强度。
2.如权利要求1所述的非侵入式电场测量***，其特征在于，还包括：
第一透镜装置，对所述基频激光进行聚焦后输出；
第一滤光装置，对聚焦后输出的所述基频激光进行过滤，获得波长特定的一所述基频激光输出至所述电场。
3.如权利要求1所述的非侵入式电场测量***，其特征在于，还包括：
第二透镜装置，对所述二倍频光及所述基频激光进行会聚后输出至所述分光装置。
4.如权利要求1-3中任一项所述的非侵入式电场测量***，其特征在于，所述分光装置包括：
第一透镜单元，所述二倍频光及所述基频激光经过所述第一透镜单元时，所述二倍频光及部分所述基频激光通过所述第一透镜单元，且另一部分所述基频激光被所述第一透镜单元反射至所述光电转换装置；
第二透镜单元，所述二倍频光及部分所述基频激光经过所述第二透镜单元时，所述二倍频光被所述第二透镜单元反射至所述光电转换装置，且部分所述基频激光通过所述第二透镜单元。
5.如权利要求4所述的非侵入式电场测量***，其特征在于，所述二倍频光入射至所述第二透镜单元的光路与所述二倍频光反射出所述第二透镜单元的光路之间具有夹角。
6.如权利要求4所述的非侵入式电场测量***，其特征在于，还包括：
第二滤光装置，对反射出所述第二透镜单元的所述二倍频光进行过滤，获得波长特定的一所述二倍频光输出至所述光电转换装置。
7.如权利要求5-6中任一项所述的非侵入式电场测量***，其特征在于，所述光电转换装置包括：
光电二极管，将所述基频激光转换为所述基频激光信号并输出至所述监测处理装置；
光电倍增管，将所述二倍频光转换为所述二倍频光信号输出至所述监测处理装置。
8.如权利要求1所述的非侵入式电场测量***，其特征在于，所述监测处理装置根据所述基频激光信号及所述二倍频光信号通过非线性效应模型获得所述电场强度，所述非线性效应模型为：
其中，I2ω为二倍频光强,EExt为电场强度,Iω为基频激光强度，L为相互作用长度，Δk为失配系数。
9.如权利要求1所述的非侵入式电场测量***，其特征在于，还包括：偏振装置，接收所述二倍频光信号，通过调节所述偏振装置使得所述监测处理装置用以监测不同偏振方向的二倍频光信号，以实现电场分量的测量。
10.一种非侵入式电场测量方法，用以测量电场发生装置输出的电场的电场强度，其特征在于，应用于上述权利要求1-9中任一项所述的非侵入式电场测量***，所述非侵入式电场测量方法包括：
步骤S1：提供基频激光，所述基频激光与所述电场作用使得气体分子发生极化产生二倍频光；
步骤S2：将接收的所述基频激光与所述二倍频光分隔传输；
步骤S3：将所述基频激光与所述二倍频光对应地转换为基频激光信号及二倍频光信号；
步骤S4：监测所述基频激光信号及所述二倍频光信号，并根据所述基频激光信号及所述二倍频光信号通过标准电极标定曲线，获得所述电场强度。
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